[发明专利]一种抗蠕变的超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料制造领域，特别涉及一种抗蠕变性能超强的超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度，广泛用于防弹防护用品、绳索、缆绳、鱼网、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在比强度最高的商业化高性能纤维。

1979年荷兰DSM公司的Smith和Lemstra发明了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。1982年美国的AlliedSignal公司也提出了自己的生产超高分子量聚乙烯纤维的专利US4413110。DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚乙烯纤维的工业化生产。现在世界上常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有：将超高分子量聚乙烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，该溶液由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成凝胶纤维，用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，干燥，超倍数牵伸，最终获得成品纤维。现在世界上生产工艺主要有两大类，一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一类以Honeywell为代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂。DSM工艺，采用易挥发的十氢萘溶剂，采用干法纺丝，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。

一般情况下，作为原料的聚乙烯粉料的特性粘数至少5dL/g，这样制成的纤维强度至少为25cN/dtex，模量至少为700cN/dtex。原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，一般为200万-600万。

但在现有的超高分子量聚乙烯纤维生产和使用过程中，对于材料的性能，大多着眼于牵伸强度、牵伸模量、线密度等显而易见的方面，而对于材料的蠕变性能则关注不多。这主要是由于大家对该产品的了解还停留在比较浅显的阶段，而蠕变性能对制品的影响往往要在使用若干年后才能体现出来，对于一种商业应用时间才十来年的新兴产品来说，其重要性还未被大多数生产者和使用者所认可。

事实上，蠕变性能对于超高分子量聚乙烯纤维及其制品的使用寿命的影响还是十分重大的，特别是在一些需要持续受力的场合。

蠕变，是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性形变不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。

使蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加，直达破裂点。

蠕变随应力和温度而变化，应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。温度越高，蠕变的总时间越短；温度越低，蠕变的总时间越长。

随着纤维应用技术的进一步发展，部分企业和科研机构已经开始认识到超高分子量聚乙烯纤维的蠕变性能，并对其进行了一些研究。国内外现有文献包括：

欧洲专利EP1699954中描述了一种改善了耐蠕变性的超高分子量聚乙烯纤维凝胶纺丝法。该方法在传统超高分子量聚乙烯纤维干法纺丝工艺的基础上，采用了一种“每1000个碳原子上具有至多3个短C1-C4烷侧基(优选甲基)的UHMWPE”粉料。用这种方法生产的纤维，蠕变速率只有1×10^-6/秒，远远低于普通超高分子量聚乙烯纤维。但其牵伸强度有所下降，不到普通超高分子量聚乙烯纤维的90％。

国际专利WO2009026215中描述了一种低蠕变超高分子量聚乙烯复合纱线的制备方法。该方法中，明确了这种低蠕变高强度的复合纱线在多种应用领域的重要性，并给出了替代解决方案。但该方案并未解决超高分子量聚乙烯纤维本身的蠕变性能差这一问题，只是用另外一种蠕变性能比较好的纤维(聚芳族酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤维聚酯纤维或它们的结合物)与超高分子量聚乙烯纤维混编成纱，从而在一定程度上提高复合纱线的蠕变性能。但由于这种低蠕变的纤维本身牵伸强度远远低于超高分子量聚乙烯纤维，因此混编后纱线的牵伸强度也要比纯超高分子量聚乙烯纤维纱线差很多。